Arduino基础篇（四）-- 如何玩转Arduino的PWM

1 简单认识 PWM

1.1 PWM简介

        PWM（Pulse Width Modulation）是一种方波控制信号。采用不同的占空比来模拟“模拟输出”。基本的PWM信号如下图所示：

• On-Time（导通时间） —— 时间信号的持续时间较长。
• Off-Time（关断时间） —— 时间信号的持续时间较短。
• Period（周期） —— 表示为PWM信号的导通时间和关断时间的总和。
• Duty Cycle（占空比） —— 它表示为在PWM信号周期内保持导通的时间信号的百分比。

周期

        Ton 表示导通时间，Toff 表示信号的关断时间。周期是导通和关断时间的总和，并按照以下公式计算：

占空比

        占空比用于计算为一段时间的导通时间。使用上面计算的周期，占空比计算为：

常见的占空比如下图所示：

1.2 PWM的作用

1. 提供模拟输出；如果数字输出被过滤，则其模拟电压将介于0%至100%之间。
2. 生成音频信号。
3. 控制灯光亮度，为电机提供变速控制。
4. 生成调制信号，例如驱动用于远程控制的红外LED。

1.3 产生PWM的引脚

下图为 Arduino UNO 的 PWM 引脚号：

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2 使用PWM

2.1 传统方式

1、analogWrite(pin,dutyCycle)

        由1.3的图可知，在 UNO 中3，5，6，9，10，11 接口可以通过简单语句 analogWrite(pin, dutyCycle) 来实现一个指定占空比的 PWM。其中 pin 的值选择（3，5，6，9，10，11），dutyCycle 的值在0～255之间，0为占空比0%，255为占空比100%，对应电压从0到+5V。在调用 analogWrite() 函数之后，引脚将产生指定占空比的稳定方波，直到下一次调用 analogWrite() 或在相同引脚上调用 digitalRead() 或 digitalWrite() 。但是这种方式 PWM 信号的频率是固定的默认值，大多数引脚上的 PWM 信号频率约为490 Hz。在 Uno 和类似的板上，引脚5和6的频率约为980Hz。Leonardo上的引脚3和11也以980Hz运行。提示：在使用PWM时，可以使用示波器检测一下频率。

示例代码：

// 引脚命名
# define analogPin 3
void setup()
{
	pinMode(analogPin,OUTPUT);
}
void loop()
{
	analogWrite(analogPin,100);		// 输出PWM，占空比为 100/255
}

2、手动实现 PWM

        通过 delayMicroseconds() 手动实现频率可调的 PWM，也被称作数字IO轮转法，使用方法：

1. 两次的digitalWrite输出状态必须相反；
2. 可以用delay()实现毫秒级延迟，用delayMicroseconds()实现微秒级延迟。

示例代码：

void setup()
{
  pinMode(8, OUTPUT);				// 设置8号引脚为输出模式
}

void loop()
{
  digitalWrite(8, HIGH);
  delayMicroseconds(100); 			// 输出PWM，占空比为100/1000=10%
  digitalWrite(8, LOW);
  delayMicroseconds(1000 - 100); 	// 修改这里的1000可以调整频率，总周期为1000us,所以频率为1000Hz.
}

        上面这段代码会产生一个PWM=0.1的，周期为1ms的方波（1kHz），这种方式的优缺点很明显:

1. PWM的比例可以更精确；
2. 周期和频率可控制；
3. 所有的pin脚都可以输出，不局限于那几个脚；
4. 缺点：CPU干不了其他事情了；

2.2 使用寄存器

        对 Arduino 时钟的介绍，请参考Arduino中断的使用。时钟一般可以有多种不同的运行模式。常见的模式包括“快速PWM”和“相位修正PWM”。

        Arduino除了常用的比较匹配寄存器外，还有一些其他的寄存器用来控制时钟。

1. TCCRnA 和 TCCRnB 就是用来设置时钟的计数位数。
2. 脉冲生成模式控制位（WGM）：用来设置时钟的模式
3. 时钟选择位（CS）：设置时钟的预定标器
4. 输出模式控制位（COMnA和COMnB）：使能/禁用/反相 输出A和输出B
5. 输出比较器（OCRnA和OCRnB）：当计数器等于这两个值时，输出值根据不同的模式进行变化

        不同时钟的这些设置位稍有不同，所以使用的时候需要查一下资料。其中Timer1是一个16位的时钟，Timer2可以使用不同的预定标器。

1、快速PWM

        对于快速 PWM 来说，时钟都是从0计数到255。当计数器=0时，输出高电平1，当计数器等于比较寄存器时，输出低电平0。所以输出比较器越大，占空比越高。这就是传说中的快速PWM模式。后面的例子会解释如何用OCRnA和OCRnB设置两路输出的占空比。很明显这种情况下，这两路输出的周期是相同的，只是占空比不同。

参考示例

        下面这个例子以 Timer2 为例，把 Pin3 和 Pin11 作为快速PWM的两个输出管脚。其中：

• WGM 的设置为 011，表示选择了快速PWM模式；
• COM2A 和 COM2B 设置为 10，表示A和B输出都是非反转的 PWM；
• CS的设置为100，表示时钟周期是系统时钟的1/64；
• OCR2A和OCR2B分别是180和50，表示两路输出的占空比；

pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50;  
// _BV(n)的意思就是1< COM2A1，表示COM2A的第1位为1，由于寄存器一般是倒序，最后一位为0，所以_BV(COM2A1)表示COM2A = 10

        在Arduino Due 开发板，上面这几行代码的结果为：

• 输出 A 频率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
• 输出 A 占空比: (180+1) / 256 = 70.7%
• 输出 B 频率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
• 输出 B 占空比: (50+1) / 256 = 19.9%

        频率的计算里都除以了256，这是因为除以64是得到了时钟的计数周期，而256个计数周期是一个循环，所以PWM的周期指的是这个循环。另外，占空比的计算都加了1，这个是因为从0开始计数。

2、相位修正PWM

        另外一种 PWM 模式是相位修正模式，也有人把它叫做“双斜率PWM”。这种模式下，计数器从0数到255，然后从255再倒数到0。当计数器在上升过程中遇到比较器的时候，输出0；在下降过程中遇到比较器的时候，输出1。

相位修正PWM的例子

        继续以 Timer2 为例，设置 Pin3 和 Pin11 为输出管脚。其中WGM设置为001，表示相位修正模式，其他位设置和前面的例子相同：

pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50;  

        在Arduino Due开发板，上面这几行代码的结果为：

• 输出 A 频率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
• 输出 A 占空比: 180 / 255 = 70.6%
• 输出 B 频率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
• 输出 B 占空比: 50 / 255 = 19.6%

        **提示：**与快速 PWM 相比，相位校正 PWM 将频率除以2，因为定时器同时上下运行。有些令人惊讶的是，频率被255除，而不是256除，占空比计算不加一作为快速脉宽调制。

        一般来说，普通用户是不需要设置这些时钟参数。Arduino 默认有一些设置，所有的时钟周期都是系统周期的1/64。Timer0 默认是快速 PWM，而 Timer1 和 Timer2 默认是相位修正 PWM。具体的设置可以查看Arduino源代码中writing.c的设置。
        需要特别特别注意的是，Arduino的开发系统中，millis()和delay()这两个函数是基于Timer0时钟的，所以如果你修改了Timer0的时钟周期，这两个函数也会受到影响。直接的效果就是delay(1000)不再是标准的1秒，也许会变成1/64秒，这个需要特别注意。
        如果想要修改时钟频率，以及时钟的计数上限，请参考文章后面的链接。

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参考

1. 调整 PWM 频率： https://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet/
2. Arduino PWM 的秘密——英文教程：http://www.righto.com/2009/07/secrets-of-arduino-pwm.html
3. Arduino PWM 的秘密——中文教程：http://www.diy-robots.com/?p=852